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低压开关柜内部故障电弧及其试验与检测技术

2017年9月14日 10:55:21

福建省产品质量检验研究院电器产品检验研究所 曾作钦

 

“十三五”期间,国家电网继续稳步推进智能电网建设,电力基础设施建设仍将保持着较大投资规模,因此承担电能传输和分配、用电设备保护与控制任务的低压成套开关设备与控制设备(以下简称“开关柜”)极其重要。低压开关柜一方面起着通断电力负荷的作用,另一方面具有切除故障线路、保护电网及电力设备安全运行的功能,广泛应用在生产现场、公共场所、住宅小区等低压配电系统,其质量的好坏直接影响配电系统的安全和稳定。而低压开关柜的内部故障电弧是一种频发性、灾难性的严重故障。故障电弧一旦发生,便会辐射出巨大的声、光、热等能量,导致电力系统瘫痪、设备毁坏及人身伤亡。据有关资料统计,由于开关柜异常故障电弧引发的电气火灾、人员伤亡等事故占相当大的比例,并且有继续增大的趋势[1-2]。因此,研究如何减轻低压开关柜内部故障电弧带来的危害,如何将危害减小到最低程度已成为行业关注的焦点。

1内部故障电弧及其危害

1.1故障电弧产生的原因

开关柜内部故障电弧产生的原因很多,但一般可总结归纳为以下5种[3]

(1) 绝缘故障的因素

主要包括使用的绝缘材料爬距不足、材质缺陷,年久失修、强磁场电场引起的绝缘老化等都可能造成绝缘故障。

(2) 回路不良的因素

主要包括连接处接头截面过小、紧固螺栓松动、接触面腐蚀及触头接触不良等缺陷,在过流时容易引起发热、起火进而导致相间、对地击穿短路等。

(3) 外物进入的因素

主要包括小动物等的误闯误入,维修人员在工作后将工具遗漏在柜内等。

(4) 人为操作的因素

主要包括操作人员走错间隔、误操作、对工作区域未接地和未验电等。

(5) 系统方面的因素

主要包括系统增容、改变接地方式、大量应用电缆、保护及自控装置配置不当以及系统谐振过电压的存在等。

1.2故障电弧的危害

当开关柜的某个部位或隔室产生故障电弧后,故障电弧首先在中心导体和壳体间燃烧,而在内部磁场电磁力的作用下,电弧通常是不稳定的,会在电磁力的作用下沿中心导体做圆周方向或径向转动,使柜内电弧温度快速上升,并加热周围的空气致其膨胀,并产生巨大的压力,使开关柜内外产生强大的压力差,将导致柜门被炸开、内部不牢固的部件飞出。

开关柜内部故障电弧燃烧所产生的能量可高达几十兆,甚至几百兆,它与故障电流的平方及电弧燃烧的持续时间成正比。在燃烧持续时间超过100ms后,所释放的能量开始急剧增加并呈指数级上升,引起包括弧光、弧声、热量及压力等效应。接着这些故障效应对开关设备的电缆、铜排以及钢材造成严重损坏。同时高温高压气体伴随电弧效应所产生炽热的金属和非金属材料颗粒将由柜内逸出,随时可能造成人身伤害,甚至引起火灾[3]。可见,开关柜内部故障电弧的危害性非常大。

2故障电弧的保护与检测技术

2.1传统的保护方案

据有关统计资料表明,如果在35ms内切除故障,损坏程度比较轻,检查绝缘没有问题后便可继续投入使用;在100ms内切除故障,有较小的损坏,只需进行简单的清理、检测及维修后便可继续投入运行;但超过500ms后切除故障,就会造成部分设备严重损坏,甚至人员伤亡,需要更换损坏的设备才能够投入运行[4]。可见,开关柜故障的切除时间是关键性指标,与危害程度呈正相关的关系,故障切除保护系统的设计要求满足低于100ms的硬性指标,才能达到满意的效果。

传统的故障电弧保护方案有[2]:变压器后备过流保护,国内应用最广泛的保护方案,但其保护跳闸时间长达1.2~2.0s,远不能满足需求;馈线过流保护闭锁变压器后备保护,保护动作时间一般为300~400ms,有一定程度的缩短但也不能满足100ms切除故障的要求;采用环流原理的高阻抗母线差动保护,动作时间可控制在35~60ms,可满足,但成本高,应用局限性大,难推广。因此,能够快速实现动作保护的故障电弧检测技术及其保护装置应运而生。

2.2现代检测技术

故障电弧的现代检测技术主要是通过传感器检测弧光、弧声、电压电流、压力等电量和非电量信号,并对检测到的信号进行分析或与相应的设定值进行比较,判断出是否产生故障电弧,从而提供适当的预防保护措施,避免电弧灾害的发生。归纳起来,现代电弧检测技术主要有以下几种:

(1) 弧光检测技术[3,5]

通过检测开关柜内部故障发生时所发出的电弧光来判断故障并切断电流。弧光保护系统主要由光纤探头、弧光信号检测单元、故障分析处理单元等组成,而弧光是电弧最明显且变化最快的特征物理量,因此该系统具有超高速的动作性能,是比较理想的解决方案。文献[5]通过对一系列多种光源的研究后,确定了开关柜内部故障电弧弧光的特征,研发了一种实用的分布式多点内部故障电弧保护装置。

(2) 弧声检测技术[6,7]

利用故障电弧伴生的放电声的特征频率,建立故障电弧弧声预测预警机制,将故障电弧消灭在萌芽阶段。文献[7]据此提出基于三层小波包解的频带能量特征弧声识别算法,构建了基于DSP的弧声早期预警系统,并通过实验验证了该系统的可靠性。

(3) 电流检测技术[1,8]

故障电弧发生时,回路中的电流会发生明显的变化,通过分析电流波形突变的特征来实现对故障电弧的判断。文献[1]提出了利用积分、均方根运算、小波和频谱分析提取表征电弧电流突变信息的特征信息,再用突变理论建立低压开关柜内部故障电弧判别的模型,通过特征量信息融合判断故障电弧的情况;

(4) 压力检测技术[2]

当开关柜内产生故障电弧时,电能就会转换为大量的热能,使柜内周围的空气温度异常升高,进而使柜内部的压力增大,对柜体产生冲击力。西门子公司据此开发了一种压力开关保护系统,通过检测、收集和分析柜体所受压力信号,在出现故障电弧的最初瞬间,迅速切除故障回路。

3 开关柜的内部故障引弧试验

3.1引弧试验的方法

内部故障引弧试验用于评价开关柜限制由内部故障造成人员伤害风险的能力。目前主要在中高压开关柜上进行,在低压开关柜上的研究和开展较少。

封闭式低压开关柜内部故障引弧试验的认证规则为CQC13-462216-2015 [9],认证规则中指定的检验依据标准为GB/Z 18859-2002[10],并推荐了7个引燃点,其中必选的3个引燃点为:1)、主进线开关的进线端、2)、主进线开关的出线端、3)、主母线末端。而关于引燃点的布置,应使其生成的电弧效应在开关柜内产生最大压力,故考虑选择极间距离最大的点作为引弧点,使其产生的电弧长度相对长、能量相对大;此外,选择隔室体积小、元器件数量多的隔室进行引弧试验,其产生的压力相对较大。

电弧持续时间按主回路保护电器的动作时间选择,通常为0.1s~0.5s,一般情况下取0.3s,以保护高压设备的安全稳定运行。第一次试验的电弧持续时间不到一半时熄灭且没再引燃,则应在同一点上重复试验,如仍不能达到要求,则不必再重复。

引弧试验除了用到通断试验系统、数采系统等短路试验设备外,还需要一些辅助设备,如指示器、铜引燃线和安装固定设施等。某低压配电箱(JP柜)的现场安装布置如图1所示。

 

1 JP柜的引弧试验安装布置图

3.2引弧试验的合格评价

在标准中,规定了达到提供人身防护要求的低压开关柜的合格评判准则[10]

1) 门、盖板等应处于正确的使用状态,且没有被打开;

2) 可能引起危险的设备部件不能飞落(包括大的部件或有锋锐边缘的部件,如:观察窗、压力释放阀、盖板等);

3) 电弧的燃烧或其他效应在成套设备外壳可自由触及的外表上不应造成孔洞;

4) 垂直放置的指示器不应被点燃(因漆和粘着剂点燃指示器除外);

5) 成套设备外壳的可接近部件的保护电路仍然有效。

下面为一台综合配电箱的试后状况,如图2所示,配电回路进线端的引弧试验后,靠近引燃点的母排末端出现较严重的烧损,热缩套管部分裂开,附近柜体出现一定程度的烧伤,但是满足准则的全部要求,因此是合格的。

2 柜内配电回路进线端

 

然而,下面两台开关柜在不同引燃点的试后状况,如图3和图4所示,均不满足评判准则中第(1)项的要求,因此全部不合格。

(1) MNS配电回路进线端的引弧试验

试验时,电弧从柜背面的进线端逃窜到前面的柜内燃烧,同时在高温高压的气体作用下,下配电柜的前柜门被弹开,指示器被撞倒,不满足准则的相关要求,如图3所示。

3配电柜前柜门处

(2) JP柜主开关进线端的引弧试验

主开关进线母排被大面积烧损,前端的互感器和附近柜体等都被严重的烧伤,产生的高温高压气体将柜门弹开,所有门锁的上下插销全被折弯,指示器被撞倒,不满足准则的相关要求,如图4所示。

4补偿室和配电室门处

 

综上所述,只要故障电弧及其产生的效应不对人员产生危害,开关柜内部发生的任何破坏及故障隔室与非故障隔室之间发生相互的影响都是允许的。

4 引弧试验与电弧检测技术的有机结合

从前节介绍分析可知,引弧试验是在短路试验现场开展模拟开关柜内部故障电弧发生的试验,接着通过对试验后开关柜的状况和试验数据进行分析,来判断开关柜的结构是否合理、可靠,并揭示出开关柜及其内部承受故障电弧的薄弱点,然后从最基本的结构优化着手对开关柜内部的结构和布置进行合理的改进,直到开关柜具有抵抗一定的电弧能量造成人员伤害的能力,即满足标准中的评判准则。

而对于第2节介绍的现代故障电弧检测技术或保护装置,因不同类型的开关柜在不同的运行场合和运行负荷下故障电弧发生时的弧光、弧声、电流及压力等信号千差万别,并且传感器的种类多,保护装置系统的结构复杂,并且对合适的界定值很难定夺;另外,它们多数处于研发后的尝试应用阶段,没有大量应用的实例。那么,完全依赖这些检测技术或保护装置进行故障电弧的保护也不绝对可靠。

因此,一种将引弧试验与智能化电弧检测技术的有机结合的保护方案在实际应用中值得研究,比如,先对某类型的开关柜开展引弧试验,直到通过引弧试验考核,然后将某种电弧检测技术巧妙布置在经过考核的同类型的开关柜上。这样,当故障电弧发生时,即使该检测技术或保护装置无法对引起电弧的故障切除保护,但开关柜本身有足够的抵抗能力,避免人员伤害等事故发生,实现双重保护。

5 小结

低压开关柜的内部故障电弧是一种频发性、灾难性的故障,可导致电力系统瘫痪、设备毁坏及人身伤亡的事故发生。本文从故障电弧产生的原因及其危害的介绍出发,综合分析了故障电弧的保护与检测技术、引弧试验的方法及其合格性评价等内容,探讨了引弧试验和现代检测技术的局限性,亟需探索出一种可靠的故障电弧探测保护方案。

参考文献:

[1] 董爱华, 孔林娟, 杜静静. 基于突变理论信息融合的故障电弧检测方法[J]. 电力系统及其自动化学报, 2016, 28(5): 35-40.

[2] 蓝会立, 张认成. 开关柜内部故障电弧探测法的研究现状及趋势[J]. 高电压技术, 2008, 34(3): 496-499.

[3] 田广青. 中低压开关柜内部故障电弧光保护系统[J]. 中低压电器技术, 2004, (10): 62-64.

[4] 吴英俊, 陈琳灿. 应用于中低压母线侧的弧光保护系统[J]. 上海电力学院学报, 2013, 29(1): 25-26.

[5] 蔡彬, 陈德桂, 吴锐等. 开关柜内部故障电弧的在线检测和保护装置[J]. 电工技术学报, 2005, 20(10): 83-87.

[6] 蓝会立, 张认成. 开关柜内部弧光短路伴生弧声的频谱特性研究[J]. 高压电器, 2008, 44(2): 107-109.

[7] 蓝会立, 张认成. 故障电弧早期预测预警系统研究[J]. 计算机测量与控制, 2011, 19(2): 286-291.

[8] Gregory G D, Kon W, Dvorak R F. More about arc-fault circuit interrupters[J]. IEEE Trans on Industry Applications, 2004, 40(4): 1006-1011.

[9] CQC13-462216-2015, 在内部故障引起电弧情况下的封闭式低压成套开关设备和控制设备安全性能认证规则[S]. 北京: 中国质量认证中心, 2015.

[10] GB/Z 18859-2002, 封闭式低压成套开关设备和控制设备在内部故障引起电弧情况下的试验导则[S]. 北京: 中国标准出版社, 2003.

 

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